Jaký vliv mají cyklické zatížení a pohyby základů na konstrukci větrné turbíny na moři?

Při navrhování základů pro větrné turbíny, které jsou instalovány na mořském dně, je nezbytné vzít v úvahu několik faktorů, které mohou ovlivnit stabilitu a bezpečnost celé konstrukce. Tyto faktory zahrnují především dislokace základů, cyklické zatížení, erozi, deformace a síly působící na půdu v průběhu života turbíny. Základové struktury a půda jsou totiž vzájemně propojené systémy, jejichž interakce musí být pečlivě analyzována.

Pohyb základů, ať už během instalace, nebo později při provozu turbíny, musí být vyhodnocen tak, aby nebyl negativně ovlivněn výkon a bezpečnost větrné turbíny. V závislosti na druhu použitého základu (pilotové základy, gravitace nebo jiné typy základů) je nutné zvážit specifické návrhové požadavky a zohlednit jak dynamické, tak i statické účinky zatížení, které působí na konstrukci. Pokud se během posuzování zátěžových stavů (např. při extrémních povětrnostních podmínkách) zjistí, že je potenciál pro globální kolaps základu, měl by být konzultován geotechnický inženýr se zkušenostmi v této oblasti.

Když se zaměříme na cyklické zatížení, jeho vliv na půdní vlastnosti je klíčový. Opakované zatížení, které vzniká působením větru a vln, může vést k oslabení půdní síly, což je nutné zohlednit při návrhu základů. Vhodné je rozlišovat mezi krátkodobými a dlouhodobými účinky – přičemž dlouhodobé kumulativní efekty více než jednoho bouřkového cyklu mají vliv na stabilitu a bezpečnost konstrukce. Dalšími důležitými faktory jsou rizika jako tektonické pohyby nebo změny v geotechnických vlastnostech půdy v seizmických zónách.

U základů, kde je očekávána eroze, je třeba zajistit ochranu proti těmto účinkům co nejdříve po instalaci základny. To zahrnuje přijetí opatření k minimalizaci rizik spojených s erozí, zejména v oblastech, kde je zjištěno, že se eroze může objevit během provozu turbíny. Důležitým aspektem je rovněž stanovení přípustných limitů deformací a rotací základů, které nesmí ohrozit stabilitu podpůrné struktury a celkovou provozuschopnost větrné turbíny.

Při návrhu pilotových základů je kladeno důraz na analýzu účinků osových, ohybových a bočních zatížení. Pile musí být navrženy tak, aby odolaly jak in-situ, tak i instalačním zatížením. To zahrnuje nejen posouzení cyklických, pnutí a efektů půdní komprese, ale i analýzu potenciálního rizika vysoce specifických jevů, jako je tektonická nestabilita nebo riziko vyplavení. Je rovněž kladeno důraz na zajištění dostatečné ochrany proti korozi, která je nezbytná pro dlouhodobou životnost celé konstrukce.

Při návrhu základů je také důležité posoudit interakci mezi půdou a konstrukcí při dynamických a rázových zatíženích. Takové analýzy obvykle vyžadují použití specializovaných modelů, které zahrnují nelineární a inelastické charakteristiky půdy, a to i při změnách její pevnosti v důsledku cyklických zatížení. Tyto modely by měly vzít v úvahu vliv okolních struktur a dynamické efekty způsobené různými vnějšími faktory, jako jsou sousední budovy či jiné přírodní vlivy.

Důležitým zjištěním pro návrh základu je také správné určení síly půdy na základě testů, které odpovídají vybrané metodě analýzy. Metody analýzy se liší v závislosti na tom, zda je použita metoda celkového napětí nebo efektivního napětí, přičemž každá z nich má jiný způsob hodnocení půdní pevnosti. Důležité je vzít v úvahu i možné změny v pórové vodě a drenážních podmínkách na lokalitě.

Jak správně posuzovat kapacitu pilot v axiálním a laterálním zatížení?

Kapacita piloty, ať už se jedná o kompresní nebo tažnou zátěž, závisí na několika faktorech, které je třeba pečlivě zvážit při návrhu a analýze. Hlavními komponenty kapacity jsou tření na povrchu piloty, označované jako skin friction (Qf), a odpor na dně piloty, známý jako end bearing (Qp). Při zatížení piloty tahem je kapacita omezena pouze na hodnotu tření na povrchu, což znamená, že žádná část kapacity není přičítána k odporu na dně, jak tomu může být u kompresních zatížení.

Pro správnou predikci těchto parametrů je nezbytné použít uznávanou analytickou metodu, například doporučovanou metodiku uvedenou v API RP 2A, případně jiné metody, které jsou vhodnější pro konkrétní podmínky dané lokality. Při použití jakékoliv metody je třeba prokázat její akceptovatelnost na základě skutečného chování a výkonnosti pod podobnými podmínkami, jaké panují na místě. Je důležité mít na paměti, že samotné výsledky dynamické analýzy řízení zatěžování piloty nejsou dostačující pro predikci kapacity piloty pro axiální zatížení.

Při posuzování axiální kapacity pilota pomocí metody API RP 2A, bude nutné vzít v úvahu bezpečnostní faktor uvedený v tabulce 4, který se používá pro určení přípustného axiálního zatížení. Zvláštní pozornost je třeba věnovat návrhovému zemětřesení, pro které je bezpečnostní faktor pečlivě zvážen.

Kromě axiální kapacity je třeba se zaměřit i na kapacitu pilota při laterálním zatížení. Pro tento typ zatížení se zkoumá kombinovaná charakteristika zátěže a deflektorů jak samotné půdy, tak i struktury a piloty. Při posuzování laterálních deflektorů je nutné zohlednit ztrátu kapacity z důvodu cyklického zatížení půdy. U některých typů půd, jako jsou například tuhé jíly, se tato ztráta může projevovat rychle a výrazně. Při návrhu je tak nutné vzít v úvahu cyklické chování a příslušné charakteristiky p − y křivek pro různé vrstvy půdy.

Co se týče pilot větších průměrů, metody pro tenké piloty mohou být nedostatečné a je nutné přistoupit k použití složitějších analytických metod, například analýz pomocí konečných prvků. Tyto metody umožňují přesněji určit kapacitu piloty, zejména když geometrie pilota a způsoby selhání půdy vykazují značné rozdíly. V takových případech je rovněž možné využít modelové nebo centrifugální testy k ověření správnosti navržených metod.

Analýza instalace piloty je dalším klíčovým faktorem, který musí být důkladně prozkoumán. To zahrnuje nejen samotnou instalaci piloty, ale také její transport a analýzu průniku do půdy. Pro piloty, které jsou instalovány dynamickým způsobem, je důležité provést analýzu jejich chování během procesu zvedání a dopadu, aby bylo zajištěno, že pilota odolá všem silám působícím na její část nad úrovní mořské hladiny. Pro každý typ instalace musí být rovněž stanoveny odpovídající stresy, které nesmí překročit mez kluzu oceli použité pro piloty.

Důležité je také zaměřit se na stabilitu základových struktur, zejména pokud jde o vysoce zatížené konstrukce, které vyžadují zvláštní zajištění proti posunutí a porušení stability v důsledku změn v půdních podmínkách. Zohlednění vlivu blízkých staveb, různých půdních vrstev nebo přírodních jevů, jako je eroze, může být klíčové pro dlouhodobou integritu a bezpečnost celé konstrukce.

Při návrhu základů je nutné provést výpočty pro různé potenciální poruchy stability, včetně skluzu nebo otáčení. Pokud existují vrstvy měkké půdy, jejich vliv na stabilitu základů je nezbytné podrobně prozkoumat. Pro analýzu stabilitních a zatěžovacích momentů jsou k dispozici standardní metody výpočtu, ale pro složitější podmínky je možné použít i metody analýzy klouzavých ploch, které pokrývají celou řadu možných kinematických pohybů.

Jak zajistit kvalitu a bezpečnost při výstavbě základových struktur pro offshore větrné turbíny

Při výstavbě základových struktur pro offshore větrné turbíny je kladeno velké důraz na kvalitu materiálů, přesnost provedení a dodržování předepsaných standardů. Aby byla zajištěna bezpečnost a dlouhá životnost těchto struktur, je nutné dodržet řadu specifických kroků v rámci procesu kontroly kvality. Tento proces nejen zahrnuje kontrolu použitého materiálu, ale i sledování celkového postupu výstavby, včetně zajištění kvalifikace svářečů, testování svárů a sledování tolerance během konstrukce.

Program kontroly kvality

Pro každou plánovanou základovou strukturu větrné turbíny je nutné vyvinout a předložit program kontroly kvality, který odpovídá typu a velikosti zařízení. Tento program je následně schválený a posouzený příslušnou třídou (Class). Program by měl detailně zahrnovat všechny nezbytné kontroly a testy, které budou probíhat během výroby, včetně stanovení tzv. "hold points", tedy klíčových kontrolních bodů, ve kterých bude prováděna inspekce a ověřování kvality. Třídní inspektoři, kteří jsou přítomní během výroby, mají za úkol dohlížet na dodržování všech stanovených pravidel a procedur.

Přístup a oznamování kontrolám

Přítomnost inspektora je nezbytná po celou dobu výstavby, aby bylo možné provádět kontrolu konstrukce v jakémkoli vhodném čase. Je nutné zajistit, aby inspektor byl včas informován o tom, kdy a kde budou části konstrukce připraveny k prozkoumání. Pokud inspektor během kontroly zjistí jakékoliv nesrovnalosti nebo potřebu opravy, musí o tom informovat výrobce nebo jeho zástupce, kteří budou následně postupovat podle doporučení.

Identifikace materiálů

V rámci výroby je velmi důležitá kontrola materiálů, které budou použity na všechny klíčové části konstrukce. Výrobce je povinen udržovat systém sledovatelnosti materiálů, který umožní snadnou identifikaci původu každého materiálu a poskytne všechny potřebné certifikáty o jeho kvalitě. Při výrobě musí být veškeré materiály testovány podle pravidel příslušné třídy a všechny výsledky testů musí být k dispozici inspektorovi na požádání. Tento systém musí fungovat po celou dobu výstavby, aby bylo možné zpětně ověřit kvalitu použitých materiálů.

Kovové konstrukce a jejich kontrola

Výroba kovových konstrukcí pro podporu větrných turbín je velmi náročný proces, který zahrnuje několik zásadních kroků kontroly. Kvalita oceli, její zpracování, kvalifikace svářečů a kontrola svařovacích postupů jsou pouze některé z oblastí, na které je potřeba se zaměřit. Program kontroly kvality pro ocelovou konstrukci by měl zahrnovat:

1. Zajištění kvality materiálů a jejich sledovatelnosti.

2. Kontrolu svařovacích procesů, včetně ověření kvalifikace svářečů.

3. Testování svárů a ověřování jejich správnosti.

4. Testování těsnosti konstrukce a hydrostatické testy, zejména pro oddíly, které musí zůstat nepropustné pro vodu.

5. Použití nekonvenčních testovacích metod, jakými jsou například zkoušky nedeštruktivními metodami.

Každý z těchto kroků musí být podrobně naplánován a monitorován inspektorem, aby byla zajištěna shoda s příslušnými standardy. Jakýkoli nedostatek nebo problém, který se vyskytne během výroby, musí být okamžitě odstraněn a opraven.

Welding procedure specifications and qualification

Důležitým aspektem při výstavbě offshore větrné turbíny je kvalita svařování. Svařování musí probíhat podle předepsaných svařovacích procedur, které jsou schváleny třídou. Pokud jsou použity nové svařovací postupy, musí být tyto procedury kvalifikovány a inspektorem schváleny. Každý svářeč musí mít certifikát, který potvrzuje jeho kvalifikaci k práci na takto náročné konstrukci. V případě, že svářeč již absolvoval testy kvalifikace podle uznávaného kódu a jeho certifikace je stále platná, mohou být tyto předchozí výsledky akceptovány.

Kontrola korozní ochrany a dalších testů

Další nezbytné testy zahrnují hydrostatické testy pro ověření těsnosti jednotlivých oddílů konstrukce. Tyto testy musí být provedeny podle předepsaných postupů a inspektorem musí být potvrzeno, že konstrukce je připravena pro dlouhodobý pobyt ve vodě.

Závěrečné testy a inspekce

Aby byla zajištěna kvalita a bezpečnost celého systému, je nutné provést konečné inspekce, které ověří správnost všech testů a kontrol. Po dokončení výroby a instalace základové struktury musí být provedeny finální inspekce, aby se zajistila její plná shoda s projektovými požadavky a bezpečnostními normami.

Jak modelovat podmínky větru tropických cyklon v otevřeném oceánu?

Větrné podmínky tropických cyklon (hurikánů nebo tajfunů) v otevřeném oceánu lze efektivně modelovat pomocí určitých matematických vzorců a profilů rychlosti větru, které se ukázaly jako spolehlivé pro predikci chování větru během těchto extrémních povětrnostních jevů. Tyto modely jsou užitečné zejména v případech, kdy nejsou k dispozici lokální měření, nebo v oblastech, kde nelze získat detailní data o konkrétních podmínkách na místě.

Pro modelování větrných profilů tropických cyklon v oblasti do 200 metrů nad hladinou moře se běžně používá logaritmický profil, který je platný za podmínek neutrální stability atmosféry. Tento profil je popisován rovnicí:

Kde:

• $V_{1hr}(z)$ je průměrná rychlost větru za jednu hodinu ve výšce $z$ nad hladinou moře (v m/s),

• $u^*$ je rychlost tření (v m/s),

• $z$ je výška nad hladinou moře (v metrech),

• $z_0$ je délka drsnosti povrchu (v metrech),

• $k$ je von Kármánova konstanta, která má hodnotu přibližně 0.4.

$z_0 = \frac{\alpha u^*}{g}$

Při vyšších rychlostech větru, kdy $V_{1hr}(z)$ překročí hodnotu přibližně 27 m/s, je možné počítat s tím, že hodnoty drsnosti povrchu zůstávají přibližně konstantní nebo se dokonce snižují. Tento jev může být způsoben vlnovými zlomy a stále více pěnivým mořským povrchem, což ovlivňuje chování povrchového větru.

Turbulence a standardní odchylka rychlosti větru

Pro určení turbulence a standardní odchylky rychlosti větru v oblasti tropických cyklon se používají formulace vycházející z frikční rychlosti $u^*$ a drsnosti povrchu $z_0$. Standardní odchylka větru za jednu hodinu se vypočítává podle následujícího vzorce:

Turbulence je definována jako poměr standardní odchylky rychlosti větru k průměrné rychlosti větru ve stejné výšce, což lze vyjádřit jako:

$I_u(z) = \frac{\sigma_u(z)}{V_{1hr}(z)}$

Tento parametr ukazuje, jak jsou větrné podmínky v dané oblasti ovlivněny turbulencí, přičemž je slabě závislý na průměrné rychlosti větru a může být považován za konstantní při silných větrech.

Tropický cyklon a faktor větrné rázy

$V_{\tau}(z) = G(z, \tau, T_0) \cdot V_{\tau 0}(z)$

Faktor rázu pro průměrovací období jedné hodiny může být vypočítán na základě:

$g(z, \tau, T_0 = 3600 \, \text{s}) = \sqrt{77} \cdot \ln(3600v)$